iCNC > Блог > Плазменная обработка металлов

Плазменная обработка металлов

19.08.2015

1899

Из школь­но­го кур­са физи­ки каж­до­му извест­но, что каж­дое веще­ство может пре­бы­вать в трех состо­я­ни­ях – твер­дом, жид­ком и газо­об­раз­ном. Чет­вер­тым состо­я­ни­ем сто­ит отме­тить плаз­му – состо­я­ние, кото­рое пред­став­ля­ет себе иони­зи­ро­ван­ный газ, обра­зу­ю­щий­ся из элек­тро­нов, а так­же ионов с поло­жи­тель­ным заря­дом. Извест­но, что вся внеш­няя поверх­ность нашей атмо­сфе­ры покры­та плот­ной плаз­мен­ной обо­лоч­кой, то есть ионо­сфе­рой. Уче­ные схо­дят­ся во мне­нии, что Солн­це и мно­гие дру­гие звез­ды состо­ят исклю­чи­тель­но из рас­ка­лен­ных газов, то есть из плаз­ма­ти­че­ских состав­ля­ю­щих. Если гово­рить о при­род­ных плаз­ма­ти­че­ских состо­я­ни­ях, кото­рые мы ино­гда можем видеть, то одним из самых нагляд­ных при­ме­ров мож­но счи­тать мол­нию. Это сво­е­го рода обыч­ный раз­ряд в газах дуго­во­го типа. Кро­ме это­го мы можем видеть плаз­ма­ти­че­ские веще­ства в нео­но­вых рекла­мах, обыч­ных лам­пах днев­но­го све­та, во вре­мя рабо­ты с элек­тро­свар­кой, а так­же в метал­ло­об­ра­ба­ты­ва­ю­щих цехах, где актив­но исполь­зу­ют плаз­мен­ные мето­ды обра­бот­ки метал­лов раз­ных марок.

При­ме­ча­тель­но, что в усло­ви­ях цеха в насто­я­щее вре­мя плаз­му полу­ча­ют не толь­ко изо­тер­ми­че­ским спо­со­бом, но и газо­об­раз­ным. Суть изо­тер­ми­че­ско­го спо­со­ба опи­ра­ет­ся на нагрев до опре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ры газа, когда начи­на­ет­ся его иони­за­ция посред­ством уве­ли­че­ния упру­гих столк­но­ве­ний ато­мов и обра­зо­ва­ни­ем моле­кул. Уже при тем­пе­ра­ту­ре в 5 000 гра­ду­сов по Цель­сию мож­но наблю­дать окон­ча­ние дис­со­ци­а­ций ато­мов и пере­ход газа в плаз­мен­ное состо­я­ние, посколь­ку начи­на­ет актив­но про­ис­хо­дить раз­ру­ше­ние внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек. В дан­ном слу­чае мож­но рас­смат­ри­вать вза­и­мо­дей­ствие меж­ду собой эле­мен­тар­ных частиц как упру­гие столк­но­ве­ния, бла­го­да­ря кото­рым начи­на­ет выде­лять­ся кине­ти­че­ская энер­гия. Сто­ит отме­тить, что имен­но бла­го­да­ря этой энер­гии про­ис­хо­дит стре­ми­тель­ный и ста­биль­ный нагрев газа. По мере его про­гре­ва­ния коли­че­ство упру­гих столк­но­ве­ний так­же про­дол­жит рас­ти, что будет про­во­ци­ро­вать даль­ней­ший рост тем­пе­ра­ту­ры, а имен­но тем­пе­ра­ту­ра газа будет опре­де­лять сте­пень его после­ду­ю­щей иони­за­ции. Сто­ит обра­тить вни­ма­ние, что этот про­цесс про­ис­хо­дит лави­но­об­раз­но и доста­точ­но быст­ро. При усло­вии про­гре­ва­ния газа до тем­пе­ра­ту­ры в несколь­ко десят­ков тысяч гра­ду­сов газ по всей пло­ща­ди тер­ми­че­ско­го воз­дей­ствия на него начи­на­ет транс­фор­ми­ро­вать­ся в плаз­му. В этом состо­я­нии его состав будет пере­пол­нен поло­жи­тель­ны­ми иона­ми и элек­тро­на­ми.

В насто­я­щее вре­мя в метал­ло­об­ра­ба­ты­ва­ю­щих цехах для быст­ро­го и эффек­тив­но­го про­гре­ва­ния газа до нуж­ной тем­пе­ра­ту­ры исполь­зу­ют элек­три­че­ские дуги. Этот метод доста­точ­но эффек­ти­вен и эко­но­ми­чен для его исполь­зо­ва­ния в про­мыш­лен­ных целях. Элек­три­че­ская дуга явля­ет­ся сво­е­го рода элек­три­че­ским раз­ря­дом боль­шой мощ­но­сти в газах, кото­рая пред­став­ля­ет собой неболь­шой объ­ем плаз­мы меж­ду элек­тро­да­ми с раз­ной поляр­но­стью. На их поверх­но­сти в местах кон­так­та с элек­три­че­ской дугой будут быст­ро обра­зо­вы­вать­ся актив­ные анод­ные и катод­ные пят­на.

1306121495

Любое катод­ное пят­но может пози­ци­о­ни­ро­вать­ся как бога­тый источ­ник элек­тро­нов, что дает воз­мож­ность эффек­тив­но обес­пе­чить иони­за­цию газа в момент раз­ря­да посред­ством тер­мо­элек­три­че­ской эмис­сии. Имен­но бла­го­да­ря элек­трон­ным про­цес­сам на като­ды в столб дуги пода­ет­ся мно­же­ство актив­ных элек­тро­ном, кото­рые пере­ме­ща­ют­ся бла­го­да­ря дей­ствию элек­три­че­ско­го поля в направ­ле­нии бли­жай­ше­го ано­да. Бла­го­да­ря сово­куп­но­сти всех выше пере­чис­лен­ных про­цес­сов про­ис­хо­дит быст­рая иони­за­ция газа. В анод­ной обла­сти обра­зу­ет­ся чрез­мер­ный избы­ток ионов с поло­жи­тель­ным заря­дом, кото­рые про­дви­га­ют­ся через столб дуги к като­ду. Элек­тро­ды и ато­мы на сво­ем пути начи­на­ют неми­ну­е­мо стал­ки­вать­ся с ато­ма­ми и моле­ку­ла­ми, что опять-таки про­во­ци­ру­ет иони­за­цию газа меж­ду дву­мя элек­тро­да­ми.

При­ме­ча­тель­но, что тем­пе­ра­ту­ра газа в пре­де­лах элек­три­че­ской дуги при обыч­ном атмо­сфер­ном дав­ле­нии состав­ля­ет поряд­ка 6 000 Кель­ви­нов, при этом тем­пе­ра­ту­ра элек­три­че­ской дуги будет уве­ли­чи­вать­ся про­пор­ци­о­наль­но повы­ше­нию дав­ле­ния газа. Было про­ве­де­но нема­ло экс­пе­ри­мен­тов, кото­рые дали воз­мож­ность дока­зать суще­ство­ва­ние элек­три­че­ских дуг, тем­пе­ра­ту­ра кото­рых пре­вы­ша­ет отмет­ку в 50 000 Кель­ви­нов, при этом в такой ситу­а­ции сте­пень иони­за­ции газов может достиг­нуть 100%. Сто­ит отме­тить, что в этом слу­чае высо­кая тем­пе­ра­ту­ра будет кон­цен­три­ро­вать­ся на неболь­шой пло­ща­ди и делать дуго­вой раз­ряд посред­ством источ­ни­ка теп­ло­вой энер­гии. Это явле­ние мож­но наблю­дать во вре­мя рабо­ты с элек­тро­свар­кой и дру­гих мето­дах обра­бот­ки метал­лов, кото­рые тре­бу­ют выде­ле­ния боль­шо­го коли­че­ства теп­ло­вой энер­гии.

Во вре­мя обра­бот­ки метал­лов посред­ством элек­тро­свар­ки при­ме­ня­ют горя­щие элек­три­че­ские дуги, кото­рые неред­ко назы­ва­ют откры­ты­ми. Их тем­пе­ра­ту­ра может дости­гать в ряде слу­ча­ев до 6 000 Кель­ви­нов. Что каса­тель­но плаз­мен­ной обра­бот­ки метал­лов, то в таком слу­чае тре­бу­ет­ся исполь­зо­ва­ния сжа­тых дуг. Они отли­ча­ют­ся тем, что столб дуги будет обжат со всех сто­рон плаз­мо­об­ра­зу­ю­щим газов в соп­ле плаз­мот­ро­на. Этот аппа­рат создан с целью интен­сив­но­го плаз­мо­об­ра­зо­ва­ния и спо­со­бен дове­сти газ до это­го состо­я­ния все­го за несколь­ко секунд.

Совре­мен­ные плаз­мот­ро­ны при­ме­ня­ют­ся для созда­ния и под­дер­жа­ния ста­биль­ной плаз­мен­ной дуги и могут быть выпол­не­ны в соот­вет­ствии с раз­ны­ми кон­струк­тив­ны­ми осо­бен­но­стя­ми в зави­си­мо­сти от обла­сти при­ме­не­ния. По спо­со­бу обра­зо­ва­ния плаз­мы из газа все совре­мен­ные моде­ли прак­ти­че­ски не отли­ча­ют­ся. Любой плаз­мот­рон состо­ит из элек­трон­но­го узла и фор­ми­ру­ю­щей плаз­мен­ный столб дуги. Сто­ит отме­тить, что оба этих узла все­гда име­ют отдель­ное при­ну­ди­тель­ное охла­жде­ние.

В зави­си­мо­сти от уров­ня дав­ле­ния, кото­рое пода­ет­ся через сопло, плаз­мо­об­ра­зу­ю­щий газ может одно­вре­мен­но высту­пать в каче­стве плаз­мо­об­ра­зо­ва­ния и обжа­тия дуги. Кро­ме это­го будет выпол­нять­ся еще и роль защи­ты соп­ла от воз­дей­ствия кри­ти­че­ски высо­ких тем­пе­ра­тур, посколь­ку будет созда­вать­ся неио­ни­зи­ро­ван­ная холод­ная про­слой­ка меж­ду самим стол­бом дуги и стен­ка­ми соп­ла. Сто­ит обра­тить вни­ма­ние, что в этом слу­чае тем­пе­ра­ту­ра плаз­мен­ной дуги будет регу­ли­ро­вать­ся исклю­чи­тель­но диа­мет­ром соп­ла, а так­же коли­че­ством пода­ва­е­мо­го газа. При мини­маль­ном диа­мет­ре соп­ла и мак­си­маль­ной пода­че газа под дав­ле­ни­ем будет дости­гать­ся мак­си­маль­ная тем­пе­ра­ту­ра.

Газ, кото­рый в даль­ней­шем обра­зу­ет плаз­му, пода­ет­ся в сопло плаз­мот­ро­на про­доль­ным пото­ком под дав­ле­ни­ем. Что каса­тель­но соос­ной пода­чи, то она вполне воз­мож­на, одна­ко для это­го потре­бу­ет­ся пре­дель­но высо­кая точ­ность во вре­мя сбор­ки плаз­мот­ро­на. Целе­со­об­раз­но при­ме­нять соос­ную пода­чу газа толь­ко в слу­чае рабо­ты с соп­ла­ми боль­ших раз­ме­ров, кото­рые неред­ко исполь­зу­ют для наплав­ки, свар­ки и полу­че­ния мощ­ной плаз­мен­ной струи. В насто­я­щее вре­мя широ­ко рас­про­стра­не­ны моде­ли плаз­мот­ро­нов с вих­ре­вой ста­би­ли­за­ци­ей дуги, посколь­ку они доста­точ­но надеж­ны в рабо­те и дают воз­мож­ность полу­чать мак­си­маль­ные тем­пе­ра­ту­ры плаз­мы при усло­вии при­ме­не­ния сопел мало­го диа­мет­ра.

12433615379081

Если более подроб­но рас­смат­ри­вать вопрос про­ис­хож­де­ния плаз­мен­ной струи, то сто­ит обра­тить вни­ма­ние на два типа плаз­мот­ро­нов. Эти при­спо­соб­ле­ния неред­ко исполь­зу­ют для полу­че­ния дуг пря­мо­го и кос­вен­но­го дей­ствия. Что каса­тель­но пер­вой дуги, то в этом слу­чае горе­ние будет про­ис­хо­дить меж­ду элек­тро­дом плаз­мот­ро­на и ано­дом, то есть самим обра­ба­ты­ва­е­мым изде­ли­ем. Кос­вен­ная дуга будет гореть внут­ри плаз­мот­ро­на меж­ду самим элек­тро­дом и соплом устрой­ства, при этом плаз­мо­об­ра­зу­ю­щий газ будет про­хо­дить через эту дугу и выду­вать­ся уже через сопло в плаз­мен­ном состо­я­нии. Что каса­тель­но дуги пря­мо­го дей­ствия, то здесь дей­ствие теп­ла от дуги в направ­ле­нии изде­лия будет намно­го выше по срав­не­нию с кос­вен­ной дугой.

Если необ­хо­ди­мо выпол­нить строж­ку, свар­ку, рез­ку или же наплав­ку метал­ла, то в таком слу­чае целе­со­об­раз­но исполь­зо­вать дуги пря­мо­го дей­ствия, но вот если воз­ни­ка­ет надоб­ность про­из­ве­сти напы­ле­ние или же нане­сти покры­тие из мяг­ко­го метал­ла, то здесь неза­ме­ни­мой будет кос­вен­ная дуга.

Если гово­рить о плаз­мот­ро­нах, кото­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны на рез­ку метал­лов, то они име­ют более про­стую кон­струк­цию по срав­не­нию с аппа­ра­та­ми, пред­на­зна­чен­ны­ми для дру­гих типов обра­бот­ки метал­лов. Свя­за­но это с тем, что в пер­вом слу­чае нет надоб­но­сти орга­ни­зо­вы­вать пода­чу газов и сто­рон­них порош­ков через соп­ла или же про­филь­ные при­спо­соб­ле­ния.

Для полу­че­ния плаз­мен­ных дуг сле­ду­ет исполь­зо­вать спе­ци­аль­ные источ­ни­ки пита­ния посто­ян­но­го тока, кото­рые отли­ча­ют­ся пада­ю­щей пери­о­ди­че­ски вольт-ампер­ной харак­те­ри­сти­кой. В ряде слу­ча­ев будет доста­точ­но при­ме­не­ния стан­дарт­ных сва­роч­ных источ­ни­ков, кото­рые спо­соб­ны обес­пе­чить напря­же­ние в пре­де­лах до 120 воль­та.

Для свар­ки метал­лов, их наплав­ке, а так­же выпол­не­нии напы­ле­ния при­ме­ня­ют обрат­ную поляр­ность и пря­мую. Раци­о­наль­нее все­го исполь­зо­вать пря­мую поляр­ность толь­ко тогда, когда элек­трод будет высту­пать в каче­стве като­да, посколь­ку тем­пе­ра­ту­ра на его поверх­но­сти будет намно­го ниже по срав­не­нию с ано­дом, что уве­ли­чит срок рабо­ты обо­ру­до­ва­ния.

В насто­я­щее вре­мя широ­ко исполь­зу­ют в каче­стве водо­охла­жда­е­мых вста­вок в медь воль­фра­ма, цир­ко­ния и дру­гих метал­лов. Сре­ди лиде­ров по пока­за­те­лям стой­ко­сти в инерт­ных газах и в усло­вии при­сут­ствия водо­ро­да и азо­та мож­но выде­лить като­ды из воль­фра­ма с добав­ле­ни­ем лан­та­на, кото­рые рабо­та­ют исклю­чи­тель­но в режи­ме тер­мо­элек­три­че­ской эмис­сии. Если исполь­зо­вать газы, кото­рые обла­да­ют боль­ши­ми пока­за­те­ля­ми теп­ло­со­дер­жа­ния, при­хо­дит­ся исполь­зо­вать гаф­ний или цир­ко­ний.

Плаз­мо­об­ра­зу­ю­щий газ в боль­шин­стве слу­ча­ев под­би­ра­ет­ся в соот­вет­ствии с тех­но­ло­ги­че­ски­ми усло­ви­я­ми, каче­стве и сто­и­мо­сти, а так­же в зави­си­мо­сти от тем­пе­ра­ту­ры обра­бот­ки. Для свар­ки и наплав­ки в боль­шин­стве слу­ча­ев поль­зу­ют­ся арго­ном, но может при­ме­нять­ся и азот, а так­же сме­си обо­их этих газов. Что­бы реа­ли­зо­вать плаз­мен­ную рез­ку потре­бу­ет­ся воз­дух, кис­ло­род и вода.